提灌站水泵设计选型研究及典型案例分析

卢 珍，曾文明，李光辉，阮红丽，李玉玲，刘 波

(四川省农业机械研究设计院，成都 610066)

0 引 言

提灌站是解决丘陵地区农业灌溉用水的重要基础设施，在确保粮食和经济作物安全生产方面担负着重要作用。在提灌站方案设计中，泵的选型至关重要[1-4]，若选型不合理，可能导致叶轮产生气蚀、电机超负荷、水泵停机等一系列问题，甚至存在一些安全隐患。本文研究分析了两个管道沿线具有多出水口的提灌站，通过分析其现状和存在的问题，提出了水泵变频运行和两台泵串联运行的解决方案，为相关工程设计人员提供了一定的参考。

1 典型案例1

1.1 工程现状

该提灌站将水加压输送至高位出水池，再采用渠道输水至低处用水地块。水源为河流，净扬程52 m。主要建筑物包含泵房1座，进水池1座，出水池1座。主要机电设备包含井用潜水电泵1台，额定流量140 m3/h，额定扬程126 m，额定功率75 kW，额定转速2 900 r/min。出水管道为焊接钢管，长度1 050 m，直径0.15 m。

1.2 存在的问题

该站具体存在以下几个方面问题：①出水管道沿线需要用水地块较多，将水加压输送至高位出水池再放至低处，低处地块用水存在电能浪费。②现有供水量偏小，需增加至200 m3/h左右。

1.3 水泵设计选型及分析

1.3.1 管路系统组成

在水泵设计选型方面，采用节能改造技术，针对管道沿线用水地块多，低处地块用水能耗高的问题，通过在出水管道沿线增设2个出水口，并对水泵进行变频控制的方案解决。供水管路系统组成如图1所示。

图1 供水管路系统组成图1(单位：m)Fig.1 Composition of water supply piping system one

1.3.2 水泵选型

根据该提灌站相关基础数据进行水泵选型，以净扬程最大、管道最长的出水口3进行计算。

(1)管径计算。首先根据该站管线走向的地形情况，出水管选用HDPE管，进水管选用焊接钢管。则：

(1)

式中：Q为设计流量，m3/h，根据需水要求初步取200 m3/h；v为管道内流速，m/s，初步确定流速v=2.5 m/s。

经计算确定出水管规格为外径0.2 m，壁厚0.011 9 m，压力等级1.0 MPa；进水管规格为外径0.219 m，壁厚0.008 m。

(2)水力计算。进水管为焊接钢管，沿程水头损失采用达西公式计算，其中沿程摩阻系数采用舍维列夫公式[5]计算：

(2)

式中：hf为沿程水头损失，m；λ为沿程摩阻系数；L为管道长度，m，根据踏勘得进水管长度为8.5 m；v为管道内平均流速，m/s；d为管道内径，m。

出水管为HDPE管，沿程水头损失采用海澄-威廉公式[5]计算：

(3)

式中：Q为管道流量，m3/s；L为管道长度，m，根据踏勘得出水管长度为1 100 m；Ch为海澄-威廉系数，取150；d为管道内径，m。

局部水头损失一般按沿程水头损失的5%～15%计，本文取11%。

经计算得进水管和出水管的沿程水头损失总和hf(all)为24.57 m，局部水头损失总和hj(all)为2.7 m，则总水力损失hall为27.27 m。

则装置扬程Hz：

Hz=ha+Hall=27.27+52=79.27

(4)

根据上述计算结果，选用单级单吸离心泵1台，额定流量200 m3/h，额定扬程80 m，额定功率75 kW，额定转速2 900 r/min。

1.3.3 额定转速下水泵运行分析

所选水泵在额定转速下的性能参数如表1所示。

表1 水泵在额定转速下的性能参数(n=2 900 r/min)Tab.1 Pump performance parameter at rated speed(n=2 900 r/min)

根据出水口3的净扬程和上述管道水力计算结果求得出水口3装置特性曲线方程如下：

HZ3=ha3+KQ2=52+(6.82×10-4)Q2

(5)

采用相同的计算方法求得出水口1和出水口2装置特性曲线方程如下：

HZ1=ha1+KQ2=23+(4.5×10-4)Q2

(6)

HZ2=ha2+KQ2=33+(5.5×10-4)Q2

(7)

根据上述3个装置特性曲线方程，分别计算得到3个出水口在各流量工况下的装置扬程，结果如表2所示。

表2 3个出水口的装置特性参数Tab.2 Device characteristic parameter of three outlets

泵特性曲线上的每一个点对应一个工况，泵的最佳运行工况点是最高效率点。

每个提灌站对水泵的性能要求不同，实际中的工况点不一定就在最高效率点，因此为了减少水泵的规格，通常认为水泵的正常工作范围以效率下降不超过5%～8%为界[6]，本文以水泵效率下降不超过5%为界确定其正常工作范围。

根据表1和表2做出额定转速下水泵特性曲线和3个出水口的管路特性曲线图，如图2所示。从图2中可以看出，该泵的正常工作范围是Q-H曲线上AB段，对应流量范围为160～240 m3/h。水泵的实际运行工况点是由水泵和管路共同决定的，即由水泵特性曲线和管路特性曲线的交点确定。出水口3的管路特性曲线与水泵Q-H曲线交于a点，a点位于AB曲线段内，即水泵实际运行在正常工作范围之内。出水口2的管路特性曲线与Q-H曲线交于b点，b点位于AB曲线段外，即水泵实际运行在正常工作范围之外且偏大流量工况。出水口1的管路特性曲线与Q-H曲线的交点已经远远超出了水泵的正常工作范围且偏更大流量工况。由此可以看出，当该水泵以额定转速运行时，只能保证出水口3运行在正常工作范围之内，而出水口2和1超出了水泵的正常工作范围且偏大流量工况点。当离心泵偏离正常工作范围运行时，不仅效率降低明显而且系统也非常不稳定，容易产生机械振动，噪声加剧，甚至出现超功率烧电机的情况。因此，该水泵不能在额定转速下分别满足3个出水口的正常供水要求。

图2 额定转速下水泵特性曲线和3个出水口的管路特性曲线图Fig.2 Pump characteristic curve at rated speed and pipe characteristic curve of three outlets

根据泵相似理论，若已知转速为n1时的特性曲线上某点A1(H1，Q1),则转速为n2时与A1点相似的工况点的参数为：

(8)

(9)

根据水泵在额定转速下的性能参数计算得到水泵在转速为1 450 r/min下的性能参数(假定转速变化时相似工况点的效率相等)，如表3所示。

1.3.4 变转速下水泵运行分析

通过水泵在转速为2 900 r/min下的A和B工况点参数，可分别做出通过A点和B点的等效率曲线，等效率曲线方程为：

表3 水泵在变转速下的性能参数(n=1 450 r/min)Tab.3 Pump performance parameter at variable speed(n=1 450 r/min)

H=KQ2

(10)

已知QA= 160 m3/h，HA=84 m，QB=240 m3/h，HB=72 m，计算得KA=0.003 281，KB=0.001 25。通过A点和B点的等效率曲线上各流量工况下的参数如表4所示。

表4 等效率点参数Tab.4 Parameter of constant efficiency

根据表1、表2、表3、表4做出变转速下水泵特性曲线和3个出水口的管路特性曲线图，如图3所示。从图3中可以看出，当水泵运行在1 450～2 900 r/min之间时，由Q-H(n=2 900 r/min)曲线、Q-H(n=1 450 r/min)曲线和分别通过A、B工况点的等效率曲线确定其正常工作范围为ABCD，可见水泵变频运行时，其正常工作范围比定频运行时大幅扩大，且泵在此范围内的任一点工作，效率下降最多不会超过5%。当管路特性曲线与水泵变频运行正常工作范围相交时，在满足出水口供水要求下保证水泵实际运行工况点在正常工作范围之内。出水口3的管路特性曲线与水泵正常工作范围相交于ab曲线，流量范围141～199.5 m3/h，根据泵相似理论计算得在b工况点水泵运行转速为2 556 r/min。出水口2的管路特性曲线与水泵正常工作范围相交于cd曲线，流量范围114～225 m3/h，同理计算得在d和c工况点水泵运行转速分别为2 066和2 719 r/min。出水口1的管路特性曲线与水泵正常工作范围相交于ef曲线，流量范围95～178 m3/h，同理计算得在f和e工况点水泵运行转速分别为1 722和2 151 r/min。可见，3个出水口可分别通过改变水泵运行转速确定实际运行工况点来满足用水需求，且3个出水口通过改变水泵运行转速可获得的最大流量在200 m3/h左右，最小流量在110 m3/h左右。

图3 变转速下水泵特性曲线和3个出水口的管路特性曲线图Fig.3 Pump characteristic curve at variable speed and pipe characteristic curve of three outlets

2 典型案例2

2.1 工程现状

该提灌站将水加压输送至高位出水池，再采用自流的方式通过管道将水输送至柑橘种植园区。水源为水库，净扬程55m。主要建筑物包含泵房1座，出水池1座。主要机电设备包含井用潜水电泵1台，额定流量50 m3/h，额定扬程120 m，额定功率25 kW，额定转速2 850 r/min。出水管道为焊接钢管，长度800 m，直径0.1 m。

2.2 存在的问题

该站具体存在以下几个方面问题：①近年来，随着柑橘种植规模的快速扩大，该站的水量不能满足其灌溉用水需求。②管路沿线新建养鱼场一个，该站需为其提供用水。③高处种植灌溉用水与低处养殖用水水量均需200 m3/h左右，高低处用水不同时进行。

2.3 水泵设计选型及分析

2.3.1 变转速下管路系统组成及水泵选型

水泵选型、装置特性参数等效率曲线参数等计算方法和过程同案例1，此案例中略。

针对管路沿线存在多出水口的情况，首先考虑采用典型案例1中的水泵变频控制方案进行解决。根据该提灌站相关基础数据计算，选用单级单吸离心泵1台，额定流量200 m3/h，额定扬程80 m，额定功率75 kW，额定转速2 900 r/min。进水管道为焊接钢管，长度10 m，直径0.2 m。出水管道为HDPE管，长度800 m，外径0.2 m，压力等级1.0 MPa。供水管路系统组成如图4所示。

图4 供水管路系统组成图2(单位：m)Fig.4 Composition of water supply piping system two

2.3.2 变转速下水泵运行分析

所选水泵在额定转速下的性能参数如表1所示。

2个出水口在各流量工况下的装置特性参数如表5所示。

表5 2个出水口的装置特性参数Tab.5 Device characteristic parameter of two outlets

根据水泵在额定转速下的性能参数计算得到水泵在转速为725 r/min下的性能参数(假定转速变化时相似工况点的效率相等)，如表6所示。

表6 水泵在变转速下的性能参数(n=725 r/min)Tab.6 Pump performance parameter at variable speed(n=725 r/min)

根据表1、表5、表6做出变转速下水泵特性曲线和2个出水口的管路特性曲线图，如图5所示。从图5中可以看出，出水口1管路特性曲线与水泵变频运行效率下降不超过5%的正常工作范围ABCD相交于cd曲线，d点工况和c点工况之间流量范围为61～ 104 m3/h，最大流量约小于养殖需水流量的一半，不能满足要求；出水口2管路特性曲线与水泵变频运行效率下降不超过5%的正常工作范围ABCD相交于ab曲线，在a点工况，流量为205 m3/h，满足种植灌溉用水需求。由此可见，选用一台离心泵进行变频运行，不能分别满足高处种植和低处养殖的用水量需求。

图5 变转速下水泵特性曲线和2个出水口的管路特性曲线图Fig.5 Pump characteristic curve at variable speed and pipe characteristic curve of two outlets

2.3.3 串联管路系统组成及水泵选型

在水泵变频运行不能满足要求的情况，考虑采用一台深井潜水泵和一台单级单吸离心泵串联的方案解决供水问题，当低处养殖用水时，只开启深井潜水泵供水，当高处种植用水时，同时开启深井潜水泵和单级单吸离心泵供水。根据该提灌站相关基础数据计算，选用深井潜水泵1台，额定流量200 m3/h，额定扬程20 m，额定功率18.5 kW，额定转速2 900 r/min；单级单吸离心泵1台，额定流量187 m3/h，额定扬程70 m，额定功率55 kW，额定转速2 900 r/min。进水管道为焊接钢管，长度10 m，直径0.2 m。出水管道为HDPE管，长度800 m，外径0.2 m，压力等级1.0 MPa。供水管路系统组成如图6所示。

图6 供水管路系统组成图3(单位：m)Fig.6 Composition of water supply piping system three

2.3.4 水泵串联运行分析

不同的2台泵串联运行时，总扬程是在同一流量下2台泵相应扬程相加得到。2台泵在额定转速下的性能参数及串联性能参数如表7所示。

表7 2台泵在额定转速下的性能参数及串联性能参数Tab.7 Pump performance parameter of two pump and connection in series at rated speed

图7 串联水泵特性曲线和2个出水口的管路特性曲线图Fig.7 Pump characteristic curve in series and pipe characteristic curve of two outlets

根据表6、表7做出串联水泵特性曲线和2个出水口的管路特性曲线图，如图7所示。从图7中可以看出，单级单吸离心泵的效率下降不超过5%的正常工作范围为AB曲线段，深井潜水泵的效率下降不超过5%的正常工作范围为CD曲线段。当低处养殖用水时，只开启深井潜水泵供水，出水口1管路特性曲线与深井潜水泵Q～H曲线相交于d点，d点流量为207 m3/h，满足养殖用水需求。当高处种植用水时，同时开启深井潜水泵和单级单吸离心泵供水，出水口2管路特性曲线与串联Q～H曲线相交于b点，b点流量为218 m3/h，满足种植用水需求，此时深井潜水泵和单级单吸离心泵的运行工况点分别是e点和c点，e点和c点均在其各自正常工 作范围内。由此可见，采用一台深井潜水泵和一台单级单吸离心泵串联的方案可分别解决高处种植和低处养殖的供水问题，且水量满足用水需求。

3 总 结

(1)水泵的实际运行工况由水泵特性曲线和管道特性曲线共同确定，因此水泵选型首先应绘制出所选水泵的特性曲线及多台水泵的串联特性曲线，然后再准确绘制出管路特性曲线，最后分析所选水泵能否满足不同运行工况的要求。

(2)目前变频技术已成为控制水泵变速运行的主要手段，因此建议提灌站设计中，对于多出水口的情况，优先考虑变频措施调节水泵运行工况。

(3)对于管道沿线具有两个出水口的提灌站，当两个出水口扬程相差较大但需水流量相差不大时，采用水泵变频方案不能满足要求时，可采用两台水泵串联运行的方案解决供水问题。